李學(xué)滿　雷金輝

摘要：在對(duì)燈光密集的場(chǎng)所燈光控制方式分析的基礎(chǔ)上，提出了采用安卓智能終端控制，WiFi作為通信方式，單片機(jī)執(zhí)行控制動(dòng)作的點(diǎn)陣式燈光智能控制系統(tǒng)。適用于燈光排布整齊且燈源較多的餐館、娛樂(lè)場(chǎng)所等。通過(guò)專用的安卓客戶端即能控制點(diǎn)陣式燈光的整體明暗效果，摒棄了傳統(tǒng)的多開(kāi)關(guān)控制或單開(kāi)關(guān)卻無(wú)法對(duì)燈光進(jìn)行單獨(dú)控制的弊端。對(duì)節(jié)約電能，提高燈光照明美觀度，保證照明質(zhì)量起到了很大的作用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；點(diǎn)陣式燈光；WiFi傳輸；安卓智能終端；智能控制

0引言

燈光照明設(shè)備是現(xiàn)代建筑中必不可少的部分，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，燈光控制的智能化成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的燈光控制是通過(guò)手動(dòng)扳動(dòng)固定在某一位置的機(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行明暗控制。這種控制方式的一個(gè)弊端是不能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，而且在沒(méi)有燈光照明的情況下，找到開(kāi)關(guān)位置往往較為困難，容易發(fā)生磕碰。解決這種問(wèn)題的一個(gè)方式便是實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制，WiFi具有速度快（最高帶寬可達(dá)11 Mbps），可靠性高的特性，在開(kāi)放性區(qū)域，通信距離可達(dá)305米，在封閉性區(qū)域，通信距離為76-122米。而且WiFi發(fā)射功率約為60-70毫瓦，而手機(jī)的發(fā)射功率約為200毫瓦至1瓦，且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不直接接觸人體，所以應(yīng)該是絕對(duì)安全的，不限制接觸人群。因此提出了通過(guò)安卓智能設(shè)備通過(guò)WiFi遠(yuǎn)程控制的設(shè)計(jì)方案。

傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制還有另一個(gè)弊端，就是在影院、大型會(huì)議室、餐館等地方，往往有大量的燈光需要控制，傳統(tǒng)的控制方式是用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制一整列燈光，或是控制全部燈光。無(wú)法實(shí)現(xiàn)燈光的自由控制，不能根據(jù)需求調(diào)整需要打開(kāi)的燈光位置，會(huì)造成不必要的電能的浪費(fèi)。而現(xiàn)在智能照明要求足夠人性化、個(gè)性化、能夠一鍵化便捷控制。因此提出了通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行點(diǎn)陣式控制的設(shè)計(jì)方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)安卓設(shè)備控制整個(gè)場(chǎng)所的燈光按需開(kāi)關(guān)。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

點(diǎn)陣式燈光智能控制系統(tǒng)最基本的功能就是對(duì)點(diǎn)陣式燈光進(jìn)行整體控制，系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，安卓控制終端部分和動(dòng)作執(zhí)行部分。用戶只需使用安卓智能設(shè)備安裝專用客戶端就可以對(duì)燈光進(jìn)行控制。安卓智能設(shè)備通過(guò)WiFi與動(dòng)作執(zhí)行部分鏈接，動(dòng)作執(zhí)行部分包含WiFi模塊，MCU和繼電器模塊，動(dòng)作執(zhí)行部分負(fù)責(zé)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，執(zhí)行對(duì)繼電器模塊的控制動(dòng)作。當(dāng)用戶在安卓終端中選取燈光模式后，安卓端將對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)是否有變化，并獲取信號(hào)中的有用信息。進(jìn)而根據(jù)獲取信息執(zhí)行控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)燈光的多樣控制。設(shè)計(jì)假設(shè)需要控制的燈光為8x8點(diǎn)陣式排列。這種點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的漢字顯示效果也是可行的。

系統(tǒng)模塊圖如圖1所示，安卓控制終端與WiFi模塊的通信使用面向連接的可靠的TCP通信協(xié)議，WiFi模塊與單片機(jī)之間通過(guò)串口進(jìn)行信息傳輸，點(diǎn)陣式燈光組采用LED光源，其體積小、功效高、啟動(dòng)快、控制方便。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1動(dòng)作執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

動(dòng)作執(zhí)行模塊由WiFi芯片，MCU，繼電器開(kāi)關(guān)組組成。MCU采用STCl2C5A60S2單片機(jī)，該處理芯片內(nèi)部具有高達(dá)60 k的Flash存儲(chǔ)區(qū)，設(shè)計(jì)所要求功能代碼生成文件小于10 k，不需外接存儲(chǔ)器，能夠滿足本系統(tǒng)處理需求。WiFi采用ESP8266模塊，該模塊支持AP模式和STA+AP組合模式，可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行配置、調(diào)整，能夠滿足設(shè)計(jì)對(duì)于控制模塊作為AP的要求。支持socketAT指令，AT是TEN T10N碼必須位于語(yǔ)句的開(kāi)頭，命令可以是AT命令集中的一個(gè)或多個(gè)命令，每行以回車結(jié)束，可以通過(guò)指令對(duì)其快捷配置，支持UART數(shù)據(jù)通信接口，符合使用串口通過(guò)指令控制WiFi芯片的設(shè)計(jì)思路。WiFi信號(hào)強(qiáng)度大，足夠室內(nèi)范圍使用，可用于智能燈光控制。繼電器開(kāi)關(guān)選擇松樂(lè)SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器，松樂(lè)SRD-05VDC.SL-C電磁繼電器支持最高250 V交流電壓，10A電流，可以接人家庭電路使用。為實(shí)現(xiàn)8x8的燈光點(diǎn)陣控制，繼電器開(kāi)關(guān)一共需要64個(gè)。系統(tǒng)動(dòng)作執(zhí)行模塊硬件設(shè)計(jì)框圖如下。

虛線框中繼電器模塊為8x8點(diǎn)陣式排列，每個(gè)模塊中包含驅(qū)動(dòng)電路和繼電器，共64個(gè)。每個(gè)CD4081芯片包含四個(gè)2輸入端與門，一個(gè)芯片可供四個(gè)繼電器模塊使用，所以與門組中一共包括16個(gè)CD4081芯片。74HC595和74LSl38輸出信號(hào)經(jīng)與門處理，輸出同為高電平時(shí)有效，經(jīng)與門輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器，控制繼電器的通斷。從而實(shí)現(xiàn)了使用74HC595對(duì)繼電器模塊進(jìn)行列選，38譯碼器進(jìn)行行選的點(diǎn)陣式控制方式。

晶體管驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，為NPN型驅(qū)動(dòng)電路，高電平時(shí)導(dǎo)通低電平時(shí)截止。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1安卓控制終端軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中安卓設(shè)備通過(guò)WiFi連接到路由器，通過(guò)路由器與WiFi模塊建立連接，采用TCP通信協(xié)議。因此程序中完成了WiFi通信的建立、配置過(guò)程。將安卓設(shè)備端定義為通信的服務(wù)器端，通過(guò)程序創(chuàng)建server服務(wù)，在程序控制界面中設(shè)置了button按鈕控件，專門用于對(duì)服務(wù)的開(kāi)啟關(guān)閉進(jìn)行控制，當(dāng)客戶端連接成功時(shí)，在狀態(tài)欄中將連接成功狀態(tài)反饋給用戶?？刂平缑嬷性O(shè)有燈光控制的總控開(kāi)關(guān)，當(dāng)按鈕關(guān)閉時(shí)，所有燈光處于熄滅狀態(tài)。燈光的模式是通過(guò)Spinner下拉菜單控件來(lái)進(jìn)行選擇的，下拉列表中有8個(gè)選項(xiàng)，對(duì)應(yīng)8種燈光模式。在總控開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的條件下，能夠?qū)Ω鞣N模式進(jìn)切換。八種燈光狀態(tài)定義如圖4所示，實(shí)心點(diǎn)代表燈光開(kāi)啟狀態(tài)，空心為關(guān)閉狀態(tài)。

每當(dāng)切換燈光狀態(tài)時(shí)，安卓服務(wù)器端向客戶端發(fā)送狀態(tài)信息，發(fā)送的信息分別為“AAAA”，“BBBB”……“FFFF”8種，分別代表8種不同的燈光狀態(tài)。

3.2動(dòng)作執(zhí)行模塊軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)作執(zhí)行模塊程序基于單片機(jī)編寫。單片機(jī)通過(guò)串口與WiFi模塊進(jìn)行通信，程序中實(shí)現(xiàn)了串口通信的過(guò)程，定義了發(fā)送單一字符和發(fā)送字符串的函數(shù)。單片機(jī)的指令由串口發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊支持AT指令集，可使用AT指令對(duì)WiFi模塊進(jìn)行配置。程序運(yùn)行時(shí)每隔一秒發(fā)送一遍配置信息給WiFi模塊，同時(shí)從WiFi模塊獲取安卓端發(fā)送的數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式進(jìn)行傳送，算上回車換行符一共41字符，將其存于數(shù)組中，第12-15個(gè)字符為安卓服務(wù)器端傳送的信息，程序自動(dòng)截取第12個(gè)字符。并根據(jù)截取的信息，控制繼電器狀態(tài)。endprint

數(shù)據(jù)格式為：+IPD，2，（返回字?jǐn)?shù)）：服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)OK

以用戶選擇燈光模式（1）為例，單片機(jī)接受到的ASCII碼為：0D 0A2B 49 50 44 2C 32 2C 34 3A4141 41 41 0D 0A4F 4B 0D 0A

繼電器陣列由74LSl38和74HC595芯片進(jìn)行掃描控制。74HC595能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的串入并出，將要顯示的圖形編碼存儲(chǔ)在數(shù)組中，將數(shù)組中的每個(gè)元素串行移入，同一時(shí)間并行輸出，控制此刻一行中各個(gè)位所處的高低電平。數(shù)組中的圖形編碼通過(guò)點(diǎn)陣取模軟件獲取，程序中預(yù)先定義好了八種燈光模式的圖形編碼數(shù)組，分別與安卓控制端的8種模式相對(duì)應(yīng)。根據(jù)接收到的WiFi信號(hào)中截取的數(shù)據(jù)決定選取哪個(gè)數(shù)組。74LSl38用于進(jìn)行行選，對(duì)哪一行處于高電平進(jìn)行控制，由單片機(jī)P3.0、P3.1、P3.2三個(gè)端口控制，由上到下順序選取，每次選取一行。處于行和列高電平交叉點(diǎn)位置輸出高電平，驅(qū)動(dòng)繼電器處于開(kāi)啟狀態(tài)。由于74LSl38一個(gè)時(shí)刻只能選取一行，要控制整個(gè)8x8點(diǎn)陣則需要?jiǎng)討B(tài)的掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)74HC595并行輸出圖形編碼數(shù)組中的一個(gè)元素，74LSl38變換選取一行，每行持續(xù)15 ms。只要沒(méi)有接收到關(guān)閉信號(hào)，此過(guò)程反復(fù)循環(huán)執(zhí)行。松樂(lè)SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器機(jī)械切換速度最大是300 operation/min，即頻率為5 Hz。當(dāng)每個(gè)行的延時(shí)時(shí)間為15 ms時(shí)，掃描完8行時(shí)間為120 ms，掃描頻率約為8.3 Hz，大于繼電器最大切換頻率，所以在74LSl38選取一行顯示時(shí)，其他行處于短暫的低電平，也能夠保持原有開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)閽呙枋估^電器狀態(tài)發(fā)生切換，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

最后對(duì)控制的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，在沒(méi)有任何遮擋的室內(nèi)體育館內(nèi)，將WiFi模塊設(shè)置為AP模式，不經(jīng)過(guò)路由器通過(guò)手機(jī)直接與其相連，在不同距離下反復(fù)發(fā)送100次控制命令，驗(yàn)證控制的有效性，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

由表格可見(jiàn)，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)無(wú)線路由器，直接由手機(jī)和控制模塊直接相連的情況下，在150 m范圍能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燈光的穩(wěn)定有效控制。隨著距離增大WiFi信號(hào)穩(wěn)定性減弱，當(dāng)達(dá)到300 m時(shí)手機(jī)與開(kāi)關(guān)控制模塊斷開(kāi)連接。

對(duì)于較小的室內(nèi)不經(jīng)無(wú)線路由器可直接滿足使用需求。對(duì)于空間較大且遮擋物較多的室內(nèi)可以通過(guò)無(wú)線路由器作為中介，手機(jī)和開(kāi)關(guān)控制模塊通過(guò)無(wú)線路由器連接到同一網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)中，即可實(shí)現(xiàn)有網(wǎng)即可控，則不受距離和障礙物限制。

5結(jié)論

點(diǎn)陣式燈光控制適用于燈源較多且排布整齊的場(chǎng)景，能通過(guò)安卓智能設(shè)備控制燈光的多種照明模式，可以根據(jù)對(duì)燈光的需求選用不同模式，既能達(dá)到節(jié)約能源的效果，又能使燈光照明更美觀。不用再為了單獨(dú)控制燈光而手動(dòng)的扳動(dòng)眾多開(kāi)關(guān)。使用安卓客戶端即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快捷的控制，為控制燈光帶來(lái)極大的便利。endprint